TUGAS TAMBAHAN MS5042 ENERGI SURYA TERMAL

TUGAS TAMBAHAN MS5042 ENERGI SURYA TERMAL

KARAKTERISTIK KACA, EFEK RUMAH KACA & EVACUATED TUBE SOLAR COLLECTOR

Oleh: CHANDRA SALIM (23114304)

FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA PROGRAM STUDI MAGISTER TEKNIK MESIN JULI 2015

MS5041 – Energi Surya Termal Tugas Tambahan – Karakteristik Kaca, Efek Rumah Kaca & Evacuated Tube Solar Collector Chandra Salim - 23114304

DAFTAR ISI DAFTAR ISI ........................................................................................................................................... 1 DAFTAR GAMBAR .............................................................................................................................. 2 DAFTAR TABEL ................................................................................................................................... 3 I.

KARAKTERISTIK KACA ............................................................................................................ 4 Properti Fisik dari Kaca ..................................................................................................................... 4 Kekuatan ......................................................................................................................................... 4 Refleksivitas, Absorbsivitas dan Transmisivitas Cahaya ................................................................ 4 Refleksivitas .................................................................................................................................... 5 Transmisivitas ................................................................................................................................. 7 Emisivitas ........................................................................................................................................ 8

II.

CAHAYA MATAHARI ............................................................................................................... 16 Panjang Gelombang Cahaya Tampak .............................................................................................. 16

III. MEKANISME EFEK RUMAH KACA ....................................................................................... 18 Tinjauan Paparan Langsung (Tanpa Kaca) ...................................................................................... 18 Tinjauan Tidak Terpapar Secara Langsung (Menggunakan Kaca) ................................................. 20 IV. EVACUATED TUBE SOLAR COLLECTOR ............................................................................ 22 Keunggulan ETSC ........................................................................................................................... 25 Efisiensi ETSC................................................................................................................................. 26 V.

KESIMPULAN............................................................................................................................. 27

VI. REFERENSI ................................................................................................................................. 28

Hal. 1 dari 29


DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Diagram skematik ilustrasi dari refleksivitas, absobsivitas dan transmisivitas [3] ............... 5 Gambar 2. (a) Pantulan Difus dan (b) pantulan Specular [3] .................................................................. 6 Gambar 3. Koefisien Refleksi Fresnel [5] .............................................................................................. 7 Gambar 4. Transmission Rate dari beberapa jenis bahan kaca. [7] ........................................................ 8 Gambar 5.Spektral energi emisi benda hitam (distribusi spektral Planck) [8] ........................................ 9 Gambar 6. Spektrum Cahaya Matahari yang sampai ke bumi [13] ...................................................... 16 Gambar 7. Perbandingan cahaya tampak terhadap total panjang gelombang [14] ............................... 17 Gambar 8. Radiasi matahari secara langsung [15] ................................................................................ 18 Gambar 9. Ilustrasi mekanisme efek rumah kaca [16] .......................................................................... 20 Gambar 10. Perbandingan karakteristik efisiensi dengan dan tanpa kaca ............................................ 21 Gambar 11. Skematik ETSC [17] ......................................................................................................... 22 Gambar 12. Skematik cara kerja Heat Pipe [18][20] ............................................................................ 23 Gambar 13. Cara kerja Heat Pipe [19] .................................................................................................. 23 Gambar 14. Komponen Utama ETSC [20] ........................................................................................... 24 Gambar 15. Aluminium Manifold [20] ................................................................................................. 24 Gambar 16. Evacuated Tube Solar Collector yang ada di pasaran [21] ............................................... 25 Gambar 17. Mat pool solar heater [22]. ................................................................................................ 25 Gambar 18. Kurva Efisiensi hasil percobaan ETSC [23] ..................................................................... 26

Hal. 2 dari 29


DAFTAR TABEL Tabel 1. Total Emissivity Power dari berbagai material logam [9] ...................................................... 10 Tabel 2. Total Emissivity Power dari material non logam [9] .............................................................. 13

Hal. 3 dari 29


I.

KARAKTERISTIK KACA

Kaca merupakan material solid yang bersifat amorphous (non-crystalline) yang sering berupa transparan dan penggunaannya sangat luas baik di bidang teknologi maupun dekorasi. Yang paling banyak beredar adalah kaca dengan berbahan komposisi kimia silica (silicon dioxide), yakni kandungan yang banyak ditemukan di dalam pasir. Dari sebagian besar kaca berbahan silica yang ada, kaca yang biasa dipakai sebagai produk botol penyimpan (soda-lime glass), berkomposisi sekitar 75% silicon dioxide (SiO2), sodium oxide (Na2O) dari sodium carbonate (Na2CO3), calcium oxide (CaO) dan beberapa materi tambahan lain. Kaca yang sangat bening dan memiliki ketahanan tinggi quartz dibuat dari silica murni. [1] Banyak pengaplikasian dari kaca silica didasarkan pada sifatnya yang transparan secara optis. Kaca akan memantulkan dan membiaskan cahaya; dimana kualitas karakteristik ini dapat ditingkatkan dengan melakukan pemotongan bentuk dan pemolesan permukaan. Kaca dapat diberikan warna dengan menambahkan garam-garam logam atau juga dengan cara dicat. Walaupun kaca mudah pecah, namun kaca memiliki ketahanan yang tinggi. [1]

Properti Fisik dari Kaca Kekuatan Kaca merupakan material yang memiliki kapasitas untuk menahan tekanan yang lebih baik dibandingkan dengan regangan atau benturan yang tiba-tiba. Kaca float (float glass) secara umum memiliki sifat sebagai berikut: [2] 1. Compressive strength – 248 MPa untuk kubus 25mm. 2. Tensile strength – 20 MPa modulus rekah. 3. Impact strength – Tergantung pada bentuk, kekerasan dan kecepatan dari benturan benda. 4. Hardness scale – Sekitar 6.0 pada skala kekerasan Moh dan 575 kekerasan Knoop. Dengan sifat kekuatan kaca ini, maka kaca merupakan material yang ideal untuk benda transparan namun memiliki kekuatan yang cukup handal serta nilai ekonomi yang tergolong rendah untuk pemanfaatan berbagai kebutuhan.

Refleksivitas, Absorbsivitas dan Transmisivitas Cahaya Energi radiasi yang datang ke suatu permukaan akan mengalami fenomena refleksivitas, absorbsivitas dan transmisivitas. Jumlah total dari ketiga faktor tersebut akan sama dengan 1, ini berarti total energi ketiga fenomena tersebut akan memberikan nilai yang sama dengan besarnya energi radiasi yang datang. 𝜌𝐺 + 𝛼𝐺 + 𝜏𝐺 = 𝐺 Hal. 4 dari 29


Atau dengan kata lain, 𝜌+𝛼+𝜏 =1 𝐺 = Incident radiation (Irradiation) 𝜌 = Faktor refleksivitas 𝛼 = Faktor absorbsivitas 𝜏 = Faktor transmisivitas

Gambar 1. Diagram skematik ilustrasi dari refleksivitas, absobsivitas dan transmisivitas [3]

Kaca memiliki kemampuan untuk membiaskan (ketika cahaya diabsorb), memantulkan dan mentransmisikan cahaya mengikuti bentuk geometri secara optis tanpa menyebarkan cahaya tersebut. Sifat ini yang dimanfaatkan pada pembuatan lensa dan kaca jendela. Kaca yang umum memiliki indeks bias sekitar 1.5. Karakteristik ini dapat dimodifikasi dengan menambahkan material dengan densitas rendah seperti boron (B) untuk menurunkan indeks bias, ataupun menambahkan material dengan densitas tinggi seperti lead oxide (PbO) untuk menaikkan indeks biasnya menjadi sekitar 1.8. Kaca dengan indeks bias tinggi akan menghasilkan dispersi cahaya kromatik yang lebih banyak, contohnya adalah kaca kristal. Kaca dengan indeks bias tinggi memiliki nilai jual yang cukup tinggi karena sifatnya yang mirip dengan permata. [2] Sementara permata sendiri memiliki indeks bias di sekitar 2.42.

Refleksivitas Ketika sebuah permukaan tidak menyerap (absorb) semua radiasi yang datang, radiasi yang tidak terserap tersebut akan tertransmisikan atau terpantulkan. Sebagian besar benda padat bersifat

Hal. 5 dari 29


opaque dan tidak mentransmisikan cahaya sama sekali. Sehingga jumlah energi radiasi yang tidak terabsorb akan sepenuhnya direfleksikan: 𝜌𝜆 = 1 − 𝛼𝜆 Walaupun kaca merupakan benda padat, namun kaca memiliki sifat yang transparan, sehingga persamaan umum yang berlaku pada kaca adalah 𝜌𝜆 + 𝛼𝜆 + 𝜏𝜆 = 1. Kaca hanya bersifat opaque pada panjang gelombang yang tinggi atau sangat rendah. Secara sederhana, terdapat dua macam pantulan cahaya yakni Specular dan Difus. Ketika sudut cahaya yang dipantulkan sama dengan sudut datang, maka pantulan tersebut disebut Specular. Ketika sudut cahaya yang dipantulkan merata ke semua arah, maka pantulan tersebut disebut Difus. Kaca yang memiliki permukaan relatif datar licin akan memiliki karakteristik pantulan Specular. [3]

Gambar 2. (a) Pantulan Difus dan (b) pantulan Specular [3]

Berdasarkan persamaan Fresnel, nilai refleksivitas dari selembar kaca adalah sekitar 4% pada masing-masing permukaan (pada sudut normal di udara), dan transmisivitas sekitar 90%. Kaca dengan kandungan germanium oxide yang tinggi diaplikasikan pada penggunaan prinsip optoelektronik misalnya transmisi cahaya pada fiber optic.[2] Gambar 3 menjelaskan sifat karakteristik reflektansi suatu benda di udara terhadap variable benda tersebut dalam kaitan karakteristik indeks bias kompleksnya dan dengan sudut datang cahaya serta kaitannya dengan Complex Relative Index (k). Ketika cahaya melewati sebuah medium, beberapa bagian cahaya pasti ada yang teratenuasi (hilang). Fenomena ini dapat didefinisikan dengan persamaan 𝑛 = 𝑛 + 𝑖𝑘. [4] Pada bahasan kali ini, asumsi atenuasi yang terjadi keseluruhannya telah bersatu dengan gejala absorbsi. Dapat dilihat dari Gambar 3 bahwa untuk kaca dengan indeks bias sekitar 1.5 dan nilai k rendah memiliki tingkat refleksivitas yang menjadi tinggi pada sudut datang cahaya lebih dari 60º (sudut kritis). Dengan sifatnya ini, maka kaca memiliki karakteristik refleksivitas yang sesuai dengan yang dibutuhkan untuk rumah kaca, yakni memiliki rentang sudut yang cukup luas untuk tidak memantulkan cahaya supaya sebagian besar cahaya ditransmisikan dan diabsorbsi. Hal. 6 dari 29


Gambar 3. Koefisien Refleksi Fresnel [5]

Transmisivitas Kaca bening tidaklah transaparan sempurna, kaca float dengan ketebalan 6 mm mengabsorb sekitar 13% cahaya pada spektrum cahaya tampak, dan melanjutkan 87% cahaya tampak. Semakin cahaya memiliki panjang gelombang yang menjauhi cahaya tampak, sifat transmisinya berubah dan untuk rentang panjang gelombang tertentu kaca bersifat opaque (tidak tembus cahaya). Kaca jendela biasa merupakan transmitter yang sangat selektif terhadap radiasi matahari. Kaca mendekati transparan sempurna pada panjang gelombang kurang dari 2.7µm, melewatkan (transmission rate) lebih dari 90% energi matahari. Pada panjang gelombang yang lebih panjang, infra merah, kaca akan bersifat opaque terhadap radiasi. Sebagai konsekuensi dari sifatnya tersebut, maka benda di dalam rumah kaca yang telah terpanaskan kemudian mengemisikan energi yang panjang gelombangnya terkonsentrasi di rentang yang panjang sehingga energi panasnya terperangkap tidak bisa keluar dari dalam rumah kaca. Sifat inilah yang menjadi alasan kita membuat greenhouse menggunakan kaca. [6]

Hal. 7 dari 29


Gambar 4. Transmission Rate dari beberapa jenis bahan kaca. [7]

Berdasarkan Gambar 4, terlihat bahwa transmission rate untuk kaca, memiliki transmission rate di sekitar 90% untuk panjang gelombang rendah dan bersifat opaque (transmission rate bernilai nol) pada panjang gelombang tinggi. Faktor transmisivitas menunjukkan besaran radiasi yang ditransmisikan melalui benda semitransparan. Transmisi spektral didefinisikan sebagai fraksi dari iradiasi spektral yang ditransmisikan melalui medium: [8] 𝜏𝜆 =

𝐺𝜆,𝑡𝑟 (𝜆) 𝐺𝜆 (𝜆)

Sehingga transmisivitas total menjadi 𝜏 =

𝐺𝑡𝑟 𝐺

Emisivitas Benda dengan temperatur di atas suhu mutlak nol derajat Kelvin (0K) akan mengemisikan energi dengan rentang emisivitas tertentu terhadap panjang gelombang yang diemisikan. Gambar 5 merupakan hasil percobaan emissive power yang dilakukan oleh Max Planck untuk benda yang memiliki temperatur di atas suhu mutlak. Garis merah solid menunjukkan benda hitam bertemperatur Hal. 8 dari 29


tertentu dengan rentang emissive power untuk panjang gelombang dari energi yang diemisikan. Terlihat bahwa semakin rendah temperatur yang dimiliki, maka gelombang energi yang diemisikan benda hitam tersebut berada pada rentang panjang gelombang yang besar.

Gambar 5.Spektral energi emisi benda hitam (distribusi spektral Planck) [8]

Percobaan oleh Max Planck kemudian disempurnakan oleh Stefan Boltzmann melalui persamaan untuk Energi Emisi Total sebagai berikut: 𝐸𝑏 = 𝜎𝑇 4 𝐸𝑏

= Energi Emisi Total benda hitam

𝜎

= Konstanta Stefan Boltzmann = 5.670 x 10-8 W/m2.K4

𝑇

= Tempteratur benda hitam Berdasarkan Gambar 5, untuk benda bertemperatur ruang (298K) akan mengemisikan energi

total dengan panjang gelombang sekitar di atas 2µm dengan puncak emisi energi di panjang gelombang sekitar 10µm. Untuk benda yang menerima radiasi dari sinar matahari secara langsung dengan temperatur sekitar 100ºC (373K) akan mengemisikan energi total dengan panjang gelombang sekitar di atas 1.5µm dengan puncak emisi energi di panjang gelombang sekitar 7µm. Dengan kata lain, benda Hal. 9 dari 29


yang terpapar radiasi secara langsung oleh sinar matahari sekalipun tetap akan hanya mengemisikan energi di panjang gelombang yang tinggi. Hal ini menunjukkan bahwa benda hitam yang menerima panas dari matahari secara langsung sekalipun, akan mengemisikan energi dengan panjang gelombang di luar rentang visible light. Ini berarti energi emisi yang dihasilkan oleh benda hitam tersebut tidak dapat menembus kaca yang bersifat opaque terhadap panjang gelombang yang tinggi. Tabel 1 dan Tabel 2 memberikan informasi hasil besarnya nilai faktor emisivitas total yang dihasilkan oleh berbagai macam material ketika dipaparkan pada temperatur tertentu. Tabel 1. Total Emissivity Power dari berbagai material logam [9]

METALS Material Alloys 20-Ni, 24-CR, 55-FE, Oxid. 20-Ni, 24-CR, 55-FE, Oxid. 60-Ni , 12-CR, 28-FE, Oxid. 60-Ni , 12-CR, 28-FE, Oxid. 80-Ni, 20-CR, Oxidized 80-Ni, 20-CR, Oxidized 80-Ni, 20-CR, Oxidized Aluminum Unoxidized Unoxidized Unoxidized Oxidized Oxidized Oxidized at 599°C (1110°F) Oxidized at 599°C (1110°F) Heavily Oxidized Heavily Oxidized Highly Polished Roughly Polished Commercial Sheet Highly Polished Plate Highly Polished Plate Bright Rolled Plate Bright Rolled Plate Alloy A3003, Oxidized Alloy A3003, Oxidized Alloy 1100-0 Alloy 24ST

Temp °F (°C) 392 (200) 932 (500) 518 (270) 1040 (560) 212 (100) 1112 (600) 2372 (1300)

ε Material Oxidized 0.9 Oxidized at 1100°F 0.97 Gray Oxidized 0.89 Magnesium 0.82 Magnesium Oxide 0.87 Mercury 0.87 Mercury 0.89 Mercury

77 (25) 212 (100) 932 (500) 390 (199) 1110 (599) 390 (199) 1110 (599) 200 (93) 940 (504) 212 (100) 212 (100) 212 (100) 440 (227)

0.02 0.03 0.06 0.11 0.19 0.11 0.19 0.2 0.31 0.09 0.18 0.09 0.04

1070 (577)

0.06

338 (170)

0.04

932 (500) 600 (316) 900 (482) 200-800 (93-427) 75 (24)

0.05 0.4 0.4 0.05 0.09

Molybdenum Molybdenum Molybdenum Molybdenum “ Oxidized at 1000°F “ Oxidized at 1000°F " Oxidized at 1000°F " Oxidized at 1000°F " Oxidized at 1000°F Monel, Ni-Cu Monel, Ni-Cu Monel, Ni-Cu Monel, Ni-Cu Oxidized Monel, Ni-Cu Oxid. at 1110°F Monel, Ni-Cu Oxid. at 1110°F Nickel Polished Oxidized Unoxidized Unoxidized

Temp °F (°C)

ε

100 (38) 100 (38) 100 (38) 100-500 (38-260) 1880-3140 (1027-1727) 32 (0) 77 (25) 100 (38) 212 (100) 100 (38) 500 (260) 1000 (538) 2000 (1093) 600 (316) 700 (371) 800 (427) 900 (482) 1000 (538) 392 (200) 752 (400) 1112 (600) 68 (20)

0.43 0.63 0.28 .07-.13 .16-.20 0.09 0.1 0.1 0.12 0.06 0.08 0.11 0.18 0.8 0.84 0.84 0.83 0.82 0.41 0.44 0.46 0.43

1110 (599)

0.46

1110 (599)

0.46

100 (38) 100-500 (38-260) 77 (25) 212 (100)

0.05 .31-.46 0.05 0.06

Hal. 10 dari 29


METALS Material Alloy 24ST, Polished Alloy 75ST Alloy 75ST, Polished Bismuth, Bright Bismuth, Unoxidized Bismuth, Unoxidized Brass 73% Cu, 27% Zn, Polished 73% Cu, 27% Zn, Polished 62% Cu, 37% Zn, Polished 62% Cu, 37% Zn, Polished 83% Cu, 17% Zn, Polished Matte Burnished to Brown Color Cu-Zn, Brass Oxidized Cu-Zn, Brass Oxidized Cu-Zn, Brass Oxidized Unoxidized Unoxidized Cadmium Carbon Lampblack Unoxidized Unoxidized Unoxidized Candle Soot Filament Graphitized Graphitized Graphitized Chromium Chromium Chromium, Polished Cobalt, Unoxidized Cobalt, Unoxidized Columbium, Unoxidized Columbium, Unoxidized Copper Cuprous Oxide Cuprous Oxide Cuprous Oxide Black, Oxidized Etched

ε

Temp °F (°C) 75 (24) 75 (24) 75 (24) 176 (80) 77 (25) 212 (100)

0.09 0.11 0.08 0.34 0.05 0.06

476 (247) 674 (357) 494 (257) 710 (377) 530 (277) 68 (20) 68 (20) 392 (200) 752 (400) 1112 (600) 77 (25) 212 (100) 77 (25)

0.03 0.03 0.03 0.04 0.03 0.07 0.4 0.61 0.6 0.61 0.04 0.04 0.02

77 (25) 77 (25) 212 (100) 932 (500) 250 (121) 500 (260) 212 (100) 572 (300) 932 (500) 100 (38) 1000 (538) 302 (150) 932 (500) 1832 (1000) 1500 (816) 2000 (1093) 100 (38) 500 (260) 1000 (538) 100 (38) 100 (38)

0.95 0.81 0.81 0.79 0.95 0.95 0.76 0.75 0.71 0.08 0.26 0.06 0.13 0.23 0.19 0.24 0.87 0.83 0.77 0.78 0.09

Material Unoxidized Unoxidized Electrolytic Electrolytic Electrolytic Electrolytic Nickel Oxide Palladium Plate (.00005 on .0005 silver) Platinum Platinum Platinum Platinum, Black Platinum, Black Platinum, Black " Oxidized at 1100°F " Rhodium Flash (0.0002 on 0.0005 Ni) Silver Plate (0.0005 on Ni) Polished Polished Polished Polished Steel Cold Rolled Ground Sheet Polished Sheet Polished Sheet Polished Sheet Mild Steel, Polished Mild Steel, Smooth Mild Steel, Liquid Steel, Unoxidized Steel, Oxidized Steel Alloys Type 301, Polished Type 301, Polished Type 301, Polished Type 303, Oxidized Type 310, Rolled Type 316, Polished

ε

Temp °F (°C) 932 (500) 1832 (1000) 100 (38) 500 (260) 1000 (538) 2000 (1093) 1000-2000 (538-1093)

0.12 0.19 0.04 0.06 0.1 0.16 .59-.86

200-750 (93-399) 100 (38) 500 (260) 1000 (538) 100 (38) 500 (260) 2000 (1093) 500 (260) 1000 (538)

.16-.17 0.05 0.05 0.1 0.93 0.96 0.97 0.07 0.11

200-700 (93-371)

.10-.18

200-700 (93-371) 100 (38) 500 (260) 1000 (538) 2000 (1093)

.06-.07 0.01 0.02 0.03 0.03

200 (93) 1720-2010 (938-1099) 100 (38) 500 (260) 1000 (538) 75 (24) 75 (24) 2910-3270 (1599-1793) 212 (100) 77 (25)

.75-.85 .55-.61 0.07 0.1 0.14 0.1 0.12 0.28 0.08 0.8

75 (24) 450 (232) 1740 (949) 600-2000 (316-1093) 1500-2100 (816-1149) 75 (24)

0.27 0.57 0.55 .74-.87 .56-.81 0.28

Hal. 11 dari 29


METALS Material Matte Roughly Polished Polished Highly Polished Rolled Rough Molten Molten Molten Nickel Plated Dow Metal Gold Enamel Plate (.0001) Plate on .0005 Silver Plate on .0005 Nickel Polished Polished Haynes Alloy C, Oxidized Haynes Alloy 25, Oxidized

Temp °F (°C) 100 (38) 100 (38) 100 (38) 100 (38) 100 (38) 100 (38) 1000 (538) 1970 (1077) 2230 (1221) 100-500 (38-260) 0.4-600 (–18316) 212 (100)

ε 0.22 0.07 0.03 0.02 0.64 0.74 0.15 0.16 0.13 0.37

Material Type 316, Polished Type 316, Polished Type 321 Type 321 Polished Type 321 w/BK Oxide Type 347, Oxidized Type 350 Type 350 Polished Type 446, Polished Type 17-7 PH

Inconel Sheet Inconel Sheet Inconel Sheet Inconel X, Polished Inconel B, Polished Iron Oxidized Oxidized Oxidized Unoxidized Red Rust Rusted Liquid Cast Iron Oxidized Oxidized

0.57 0.66 .27-.32 .18-.49 .66-.76 .87-.91 .18-.27 .11-.35 .15-.37 .44-.51

300-1500 (149-815) 600-2000 (316-1093) 300-1200 (149-649) 68 (20) 1340 (727) 2000 (1093)

.09-.16 .87-.91 .07-.19 0.18 0.14 0.19

3600 (1982)

0.26

5306 (2930)

0.3

77 (25)

0.04

212 (100)

0.05

76 (24)

0.05

212 (100)

0.08

300-1200 (149-649)

.08-.19

200-800 (93-427)

.51-.61

200-800 (93-427) 200-600 (93-316)

.35-.48 .96-.82

77 (25) 212 (100) 932 (500) 1832 (1000)

0.02 0.03 0.07 0.15

2732 (1500)

0.23

3632 (2000) 100 (38) 1000 (538)

0.28 0.03 0.11

0.15 Type 17-7 PH 0.37

Polished Type C1020, Oxidized Type PH-15-7 MO Stellite, Polished Tantalum, Unoxidized "

200-750 (93-399) .11-.14 200-750 (93-399) .07-.09 100-500 (38-260) 0.02 1000-2000 (5380.03 " 1093) " 600-2000 (316.90-.96 Tin, Unoxidized 1093) " 600-2000 (316.86-.89 Tinned Iron, Bright 1093)

Haynes Alloy X, Oxidized

ε

Temp °F (°C) 450 (232) 1740 (949) 200-800 (93-427) 300-1500 (149-815) 200-800 (93-427) 600-2000 (316-1093) 200-800 (93-427) 300-1800 (149-982) 300-1500 (149-815) 200-600 (93-316)

600-2000 (316.85-.88 Titanium 1093) 1000 (538) 0.28 Alloy C110M, Polished 1200 (649) 0.42 " Oxidized at 1400 (760) 0.58 538°C (1000°F) 75 (24) 0.19 Alloy Ti-95A, 75 (24) 0.21 Oxid. at 538°C (1000°F) 212 (100) 0.74 Anodized onto SS 930 (499) 0.84 Tungsten 2190 (1199) 0.89 Unoxidized 212 (100) 0.05 Unoxidized 77 (25) 0.7 Unoxidized 77 (25) 0.65 Unoxidized 2760-3220 .42-.45 Unoxidized (1516-1771) Unoxidized 390 (199) 0.64 Filament (Aged) 1110 (599) 0.78 Filament (Aged)

Hal. 12 dari 29


METALS Material Unoxidized Strong Oxidation Strong Oxidation Liquid Wrought Iron Dull Dull Smooth Polished Lead Polished Rough

ε

Temp °F (°C) 212 (100) 40 (104) 482 (250) 2795 (1535)

0.21 0.95 0.95 0.29

77 (25) 660 (349) 100 (38) 100 (38)

0.94 0.94 0.35 0.28

100-500 (38-260) .06-.08 100 (38) 0.43

Material Filament (Aged) Uranium Oxide Zinc Bright, Galvanized Commercial 99.1% Galvanized Oxidized Polished Polished Polished Polished

ε

Temp °F (°C) 5000 (2760) 1880 (1027)

0.35 0.79

100 (38) 500 (260) 100 (38) 500-1000 (260-538) 100 (38) 500 (260) 1000 (538) 2000 (1093)

0.23 0.05 0.28 0.11 0.02 0.03 0.04 0.06

Tabel 2. Total Emissivity Power dari material non logam [9] NON METALS Material Adobe

Temp °F (°C)

ε

68 (20)

0.9

Asbestos Board

Temp °F (°C)

ε

On Al Foil, uncoated

250 (121)

0.09

Material Oil, Linseed

100 (38)

0.96

On Al Foil, 1 coat

250 (121)

0.56

32-392 (0-200)

0.96

On Al Foil, 2 coats

250 (121)

0.51

Cement, Red

2500 (1371)

0.67

On Polished Iron, .001 Film

100 (38)

0.22

Cement, White

2500 (1371)

0.65


100 (38)

0.45

Cloth

199 (93)

0.9


100 (38)

0.65

Paper

100-700 (38-371)

0.93

On Polished Iron, Thick Film

100 (38)

0.83

Cement

Slate

68 (20)

0.97

Paints

Asphalt, pavement

100 (38)

0.93

Blue, Cu2O3

75 (24)

0.94

Asphalt, tar paper

68 (20)

0.93

Black, CuO

75 (24)

0.96

Basalt

68 (20)

0.72

Green, Cu2O3

75 (24)

0.92

Red, Fe2O3

75 (24)

0.91

70 (21)

0.93

White, Al2O3

75 (24)

0.94

2500-5000 (1371-2760)

.26-.30

White, Y2O3

75 (24)

0.9

2500 (1371)

0.75

White, ZnO

75 (24)

0.95

Brick Red, rough Gault Cream Fire Clay Light Buff

1000 (538)

0.8

White, MgCO3

75 (24)

0.91

Lime Clay

2500 (1371)

0.43

White, ZrO2

75 (24)

0.95

Fire Brick

1832 (1000)

.75-.80

White, ThO2

75 (24)

0.9

Magnesite, Refractory

1832 (1000)

0.38

White, MgO

75 (24)

0.91

Gray Brick

2012 (1100)

0.75

White, PbCO3

75 (24)

0.93

Silica, Glazed

2000 (1093)

0.88

Yellow, PbO

75 (24)

0.9

Silica, Unglazed

2000 (1093)

0.8

Yellow, PbCrO4

75 (24)

0.93

2500-5000 (1371-2760)

.59-.63

Paints, Aluminium

100 (38)

.27-.67

1850 (1010)

0.92

10% Al

100 (38)

0.52

Sandlime Carborundum

Hal. 13 dari 29


NON METALS Material

Temp °F (°C)

ε

Ceramic Alumina on Inconel Earthenware, Glazed Earthenware, Matte

800-2000 (427-1093)

.69-.45

70 (21)

0.9

Temp °F (°C)

ε

26% Al

100 (38)

0.3

Dow XP-310

200 (93)

0.22

Low

.34-.80

Material

Paints, Bronze

70 (21)

0.93

Gum Varnish (2 coats)

70 (21)

0.53

Greens No. 5210-2C

200-750 (93-399)

.89-.82

Gum Varnish (3 coats)

70 (21)

0.5

Coating No. C20A

200-750 (93-399)

.73-.67

Cellulose Binder (2 coats)

70 (21)

0.34

72 (22)

0.92

Paints, Oil All colors

200 (93)

.92-.96

Black

200 (93)

0.92

70 (21)

0.9

125 (52)

0.85

Porcelain White Al2O3 Zirconia on Inconel Clay " Fired " Shale

200 (93)

0.9

800-2000 (427-1093)

.62-.45

68 (20)

0.39

Black Gloss

158 (70)

0.91

Camouflage Green

68 (20)

0.69

Flat Black

80 (27)

0.88

" Tiles, Light Red

2500-5000 (1371-2760)

.32-.34

Flat White

80 (27)

0.91

" Tiles, Red

2500-5000 (1371-2760)

.40-.51

Gray-Green

70 (21)

0.95

" Tiles, Dark Purple

2500-5000 (1371-2760)

0.78

Green

200 (93)

0.95

Lamp Black

209 (98)

0.96

32-2000 (0-1093)

0.94

Red

200 (93)

0.95

Tiles, Natural

2500-5000 (1371-2760)

.63-.62

White

200 (93)

0.94

" Brown

2500-5000 (1371-2760)

.87-.83

Quartz, Rough, Fused

70 (21)

0.93

" Black

Concrete Rough

2500-5000 (1371-2760)

.94-.91

Glass, 1.98 mm

540 (282)

0.9

Cotton Cloth

68 (20)

0.77

Glass, 1.98 mm

1540 (838)

0.41

Dolomite Lime

68 (20)

0.41

Glass, 6.88 mm

540 (282)

0.93

176 (80)

0.86

Glass, 6.88 mm

1540 (838)

0.47

Opaque

570 (299)

0.92

Convex D

212 (100)

0.8

Opaque

1540 (838)

0.68

Convex D

600 (316)

0.8

Red Lead

212 (100)

0.93

Convex D

932 (500)

0.76

Rubber, Hard

74 (23)

0.94

Nonex

212 (100)

0.82

Rubber, Soft, Gray

76 (24)

0.86

Nonex

600 (316)

0.82

Sand

68 (20)

0.76

Nonex

932 (500)

0.78

Sandstone

100 (38)

0.67

32-200 (0-93)

.92-.94

Sandstone, Red

100 (38)

.60-.83

Granite

70 (21)

0.45

Sawdust

68 (20)

0.75

Gravel

100 (38)

0.28

Shale

68 (20)

0.69

Ice, Smooth

32 (0)

0.97

Silica,Glazed

1832 (1000)

0.85

Ice, Rough

32 (0)

0.98

Silica, Unglazed

2012 (1100)

0.75

300-1200 (149-649)

.83-.96

Black

200 (93)

0.96

Silk Cloth

68 (20)

0.78

Blue, on Al Foil Clear, on Al Foil (2 coats) Clear, on Bright Cu

100 (38)

0.78 .08 (.09) 0.66

Slate

100 (38)

.67-.80

Snow, Fine Particles

20 (–7)

0.82

Snow, Granular

18 (–8)

0.89

Clear, on Tarnished Cu Red, on Al Foil (2 coats)

200 (93)

0.64 .61 (.74)

Soil 100 (38)

0.38

Emery Corundum Glass

Smooth

Lacquer

Silicon Carbide

200 (93) 200 (93)

100 (38)

Surface

Hal. 14 dari 29


NON METALS Material White White, on Al Foil (2 coats) Yellow, on Al Foil (2 coats) Lime Mortar

Temp °F (°C)

ε

200 (93)

Temp °F (°C)

ε

Black Loam

68 (20)

0.66

Plowed Field

68 (20)

0.38

Material

100-500 (38-260)

0.95 .69 (.88) .57 (.79) .90-.92

Acetylene

75 (24)

0.97

Limestone

100 (38)

0.95

Camphor

75 (24)

0.94

Marble, White

100 (38)

0.95

Candle

250 (121)

0.95

" Smooth, White

100 (38)

0.56

Coal

68 (20)

0.95

" Polished Gray

100 (38)

0.75

Stonework

100 (38)

0.93

Mica

100 (38)

0.75

Water

100 (38)

0.67

68 (20)

0.96

Low

.80-.90

100 (38) 100 (38)

Oil on Nickel

Soot

Waterglass

0.001 Film

72 (22)

0.27

Wood

0.002 "

72 (22)

0.46

Beech P!aned

158 (70)

0.94

0.005 "

72 (22)

0.72

Oak, Planed

100 (38)

0.91

Thick "

72 (22)

0.82

Spruce, Sanded

100 (38)

0.89

Hal. 15 dari 29


II.

CAHAYA MATAHARI

Cahaya matahari merupakan radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh matahari, yakni inframerah, cahaya tampak dan ultraviolet. Ketika radiasi matahari langsung tidak terhalangi oleh awan, maka yang diterima bumi adalah kombinasi cahaya langsung dan panas radiant. Ketika ridiasi matahari terhalangi oleh awan atau hanya terpantul dari benda lain, maka yang diterima adalah cahaya difuse. Organisasi World Meteorological Organization mengartikan durasi sinar matahari (sunshine duration) sebagai waktu akumulasi di mana suatu area menerima iradiasi secara langsung dari matahari sekurangnya 120W/m2. [10] Spektrum dari radiasi matahari memiliki karakter yang mirip dengan benda hitam dengan temperatur 5,800K. [11] Matahari memancarkan radiasi elektromagnetik di hamper semua spektrum elektromagnetik. Walaupun matahari menghasilkan sinar Gamma sebagai hasil dari proses fusi nuklir, energi photon super tinggi ini telah terkonversikan oleh absorpsi internal dan proses termalisasi menjadi energi photon rendah sebelum energi tersebut sampai ke permukaan matahari dan diemisikan ke ruang angkasa. Sehingga, matahari tidak menghasilkan sinar gamma dari prosesnya tersebut, tetapi pancaran sinar gamma datang dari lidah matahari. [12] Matahari juga mengemisikan sinar X, ultraviolet, cahaya tampak, infra merah, dan bahkan gelombang radio, gelombang-gelombang inilah yang merupakan emisi dari neutrino.[13]

Gambar 6. Spektrum Cahaya Matahari yang sampai ke bumi [13]

Panjang Gelombang Cahaya Tampak Mata kita bersifat sensitive terhadap cahaya yang terletak pada daerah spektrum electromagnetic yang sangat kecil bernama cahaya tampak. Cahaya tampak ini berada pada rentang 400 Hal. 16 dari 29


– 700 nanometer (nm) atau dengan kata lain pada rentang warna violet sampai dengan merah. Mata manusia tidak dapat melihat radiasi dengan panjang gelombang di luar spektrum cahaya tampak. Cahaya tampak dari terpendek sampai dengan terpanjang adalah: violet, biru, hijau, kuning, oranye, dan merah.Radiasi ultraviolet memiliki panjang gelombang yang lebih pendek dibandingkan dengan cahaya tampak violet. Radiasi infra merah memiliki panjang gelombang lebih panjang dari pada cahaya tampak merah. Cahaya putih merupakan campuran dari semua warna di spektrum cahaya tampak, sementara hitam adalah ketiadaan total dari cahaya itu sendiri. [14]

Gambar 7. Perbandingan cahaya tampak terhadap total panjang gelombang [14]

Sumber energi terpenting yang dimiliki oleh bumi adalah matahari. Cahaya matahari mengandung semua spektrum gelombang elektromagnetik.

Hal. 17 dari 29


III.

MEKANISME EFEK RUMAH KACA

Dari pembahasan Bab I dan Bab II, untuk dapat memahami gejala rumah kaca maka terdapat beberapa poin penting dari sifat kaca dan karakteristik cahaya matahari yang harus digarisbawahi, antara lain: 1. Kaca memiliki tingkat refleksivitas yang rendah sekitar 4% terhadap gelombang cahaya tampak, dan sudut pantul kritisnya yang cukup besar di sekitar 60º. Serta memiliki tingkat absorptivitas yang rendah, sekitar 6%. 2. Kaca memiliki tingkat transmisivitas yang tinggi yakni sekitar 90% pada rentang panjang gelombang sekitar 0.3µm - 2.7µm, dan bersifat opaque (transmisivitas nol) di luar rentang panjang gelombang tersebut. 3. Kaca memiliki kekuatan struktur dan ketahanan yang cukup baik terhadap regangan (tensile). 4. Cahaya matahari memberikan spektrum energi dari panjang gelombang nol sampai dengan tak terhingga, dengan energi maksimalnya berada di sekitar 0.5µm. 5. Semakin rendah temperatur suatu benda, energi yang diemisikan benda tersebut akan memiliki panjang gelombang yang semakin panjang. Sebagai pembandingnya, berdasarakan Gambar 5, benda dengan temperatur 100ºC (373K) akan mengemisikan energi pada rentang panjang gelombang di atas sekitar 1.5µm dengan puncak emisi energi di panjang gelombang sekitar 7µm.

Tinjauan Paparan Langsung (Tanpa Kaca)

Gambar 8. Radiasi matahari secara langsung [15]

Hal. 18 dari 29


Dengan meninjau kesetimbangan energi pada tanah yang terpapar secara langsung oleh matahari, maka pemodelan energi masuk dan keluar yang diterima oleh tanah adalah sebagai berikut: ∆𝐸 = 𝑄 − 𝑊 𝐸𝑒𝑚𝑖𝑠𝑖 + 𝐸𝑘𝑜𝑛𝑣𝑒𝑘𝑠𝑖 + 𝐸𝑘𝑜𝑛𝑑𝑢𝑘𝑠𝑖 + ∆𝑈 = 𝑄𝑖𝑛 − 0 𝜀𝐴𝜎𝑇𝑎𝑘ℎ𝑖𝑟 4 + ℎ𝐴(𝑇∞ − 𝑇𝑝𝑒𝑟𝑚𝑢𝑘𝑎𝑎𝑛 ) + 𝑘𝐿(𝑇𝑎𝑘ℎ𝑖𝑟 − 𝑇𝑎𝑤𝑎𝑙 ) +

𝑚𝐶𝑣 (𝑇𝑎𝑘ℎ𝑖𝑟 − 𝑇𝑎𝑤𝑎𝑙 ) = 𝛼𝐴𝐺 1𝑑𝑎𝑦

Dengan mengasumsikan data-data sebagai berikut: ε

= 0.38

A

= 1 m2

σ

= 5.67x10-8 W/m2.K4

h

= 20 W/m2.K

k

= 0.52 W/m.K

L

=1m

m

= 2 kg

Cv = Cp = 1840 J/kg.K [incompressible] 1 day

= 8 hours = 28,800 s

α

= 0.5

Tperm = Tawal = 23ºC = 296K T∞

= 26ºC = 299K

G

= 1000W/m2 Dengan memasukkan semua asumsi nilai parameter-parameter tersebut, maka akan didapatkan

nilai Takhir sebesar 367.841 K (94.841ºC), dengan demikian besarnya energi yang diemisikan oleh tanah adalah senilai Eemisi = 394.4638 W/m2. Ini berarti dengan menerima energi matahari sebesar 500W/m2 tanah mengemisikan kembali energi sebesar 394.4638 W/m2 atau efisiensi hanya sebesar η = (500394.4638)/500 = 0.21107.

Hal. 19 dari 29


Tinjauan Tidak Terpapar Secara Langsung (Menggunakan Kaca)

Gambar 9. Ilustrasi mekanisme efek rumah kaca [16]

Ketika kita meninjau paparan menggunakan rumah kaca dengan kondisi ruang yang tertutup, maka gejala konveksi udara yang terjadi di permukaan tanah dapat diabaikan karena udara lingkungan luar rumah kaca tidak dapat masuk ke dalam rumah kaca. Namun gejala yang ditimbulkan ketika menggunakan kaca adalah adanya nilai transmisivitas ketika radiasi matahari datang. Rentang panjang gelombang energi yang diemisikan oleh tanah yang semakin panas ketika terus terpapar matahari akan lama kelamaan bergeser ke rentang yang lebih pendek. Namun dengan asumsi tanah tidak terpanaskan melebihi 80ºC (353K), maka rentang panjang gelombang yang diemisikan adalah di sekitar atas 1.6µm dengan puncak energi emisi di panjang gelombang sekitar 7.2µm. Dengan demikian, besar energi emisi yang terbuang ke lingkungan pun menjadi lebih sedikit karena sifat kaca yang hanya opaque terhadap panjang gelombang di atas 2.7µm. Ambil asumsi energi emisi yang dihasilkan oleh tanah terbuang maksimum sebesar 10% (asumsi nilainya tetap sepanjang perubahan temperatur tanah) Sehingga persamaan efisiensi untuk rumah kaca adalah sebagai berikut: 𝜂=

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑎𝑛𝑓𝑎𝑎𝑡𝑘𝑎𝑛 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑡𝑖𝑏𝑎 𝑑𝑖 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑒𝑟

𝜂=

[(𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑠𝑖 𝑡𝑖𝑏𝑎 − 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 𝑡𝑒𝑟𝑝𝑎𝑛𝑡𝑢𝑙) × 𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑖𝑣𝑖𝑡𝑎𝑠] − [𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 𝑡𝑒𝑟𝑒𝑚𝑖𝑠𝑖] 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑠𝑖 𝑡𝑖𝑏𝑎

𝜂 = [(1 − 𝜌) × 𝜏] − 0.1

𝑄ε 𝐺

Hal. 20 dari 29


𝜂 = 𝛼𝜏 − 0.1

𝑄ε 𝐺

Dengan demikian, efisiensi yang didapatkan oleh absorber (tanah) dengan kondisi mendapatkan paparan radiasi setelah melewati kaca adalah sebesar 𝜂 = (0.5 × 0.9) − (0.1 ×

𝑄ε 𝐺

),

𝑄

sehingga pada akhirnya efisiensi yang didapatkan adalah 𝜂 = 0.45 − 0.1 ε . 𝐺

Perlu diperhatikan bahwa efisiensi total dengan menggunakan rumah kaca memiliki nilai yang lebih baik dikarenakan oleh: 1. Energi emisi yang dihasilkan tanah ketika tidak menggunakan rumah kaca akan dengan begitu saja kembali ke lingkungan. 2. Ketika kondisinya adalah lingkungan terbuka, maka aka nada faktor konveksi oleh pergerakan udara sekitar tanah. 3. Efisiensi dengan menggunakan rumah kaca sebesar 𝜂 = 0.412 adalah masih merupakan nilai efisiensi minimum, ini dikarenakan oleh faktor pengali 0.1 yang dipakai adalah asumsi maksimum yang diberlakukan dari detik pertama tanah tersebut menerima paparan radiasi matahari. Faktor ini merupakan penyederhanaan dari faktor pengali perubahan rentang panjang gelombang energi emisivitas yang seharusnya berubah terhadap waktu. Pada detik pertama, kedua kondisi akan menunjukkan nilai efisiensi yang sebaliknya ketika tanah masih belum menghasilkan energi emisi dan belum terjadi konveksi pada tanah yang terpapar langsung. Ketika terpapar langsung efisiensinya akan lebih besar yakni 𝜂𝑙𝑎𝑛𝑔𝑠𝑢𝑛𝑔 = 𝛼 = 0.5 , sementara ketika menggunakan rumah kaca akan lebih kecil yakni 𝜂𝑟.𝑘𝑎𝑐𝑎 = 𝛼𝜏 = 0.45. Dengan demikian, perbandingan efisiensi dari kondisi tanpa rumah kaca dan dengan kaca akan menunjukkan karakteristik seperti pada Gambar 10. Karakteristik efisiensi dengan menggunakan kaca akan memberikan kurva yang lebih landau (performa efisiensi yang lebih baik) jika jumlah lapisan kaca diberikan menjadi 2 lapis. Karena secara keseluruhan akan lebih meminimalisir kehilangan energi yang terpantulkan keluar lingkungan udara terbuka.

Gambar 10. Perbandingan karakteristik efisiensi dengan dan tanpa kaca

Hal. 21 dari 29


IV.

EVACUATED TUBE SOLAR COLLECTOR

Evacuated tube solar collector (ETSC) adalah pemanas air dengan memanfaatkan konsep tabung kaca yang diberikan bagian hampa udara di antara lapisan tabungnya. Gambar skematik dari ETSC ditunjukkan oleh Gambar 11.

Gambar 11. Skematik ETSC [17]

Pada prinsipnya, ETSC memanfaatkan fenomena yang terjadi di rumah kaca. Jika pada pembahasan efek rumah kaca pada Paper ini adalah dengan mengasumsikan gejala konveksi yang diabaikan, pada ETSC ini dikarenakan antar tabungnya dikondisikan untuk hampa udara maka gejala konveksi pada ruang dalam tabung kaca menjadi tidak ada sama sekali. Untuk lebih memperjelas apa saja komponen - komponen utama yang dipakai pada ETSC dan juga fungsinya, maka berikut ini adalah penjelasan terhadap komponennya: 1. Heat Pipe, merupakan tabung tembaga peng-evaporasi-kondensasi yang berfungsi sebagai super konduktor kalor. Konduktivitas termal dari heat pipe tergantung dari panjangnya, namun dapat mencapai 100kW/m.K untuk heat pipe yang panjang, sebagai perbandingannya, konduktivitas termal dari tembaga adalah 0.4kW/m.K. Heat pipe berupa tabung dengan ruang vacuum udara di dalamnya dan berisi sejumlah fluida kerja khusus. Fluida kerja khusus ini dipilih berdasarkan kebutuhan pemakaian dari heat pipe itu sendiri. Fluida dipilih berdasarkan sifatnya yang mudah

Hal. 22 dari 29


terevaporasi jika berada di kondisi di atas operating temperatur, dan mudah terkondensasi jika berada di rentang operating temperatur.[18]

Gambar 12. Skematik cara kerja Heat Pipe [18][20]

Gambar 13. Cara kerja Heat Pipe [19]

2. Double-Walled Vacuum Insulation Tube, merupakan tabung kaca yang dindingnya dibuat dua lapis di mana ruang antar kacanya berupa ruang vakum. Tujuan ruang antar kacanya dibuat vakum adalah untuk menghilangkan gejala konveksi menuju ke lingkungan luar oleh udara di dalam ruang kaca tersebut. Kaca tabung sisi dalam dibuat berwarna hitam untuk memperbesar penyerapan cahaya matahari yang datang.

Hal. 23 dari 29


3. Rubber Seal / Sealing Plug / Centering Tube Stopper, merupakan tutup karet yang berfungsi menjaga ruang udara di tengah tabung kaca supaya panas yang dihasilkan tidak bocor melalui pangkal tabung. Alasan pemilihan bahan karet adalah untuk fleksibilitas pemasangan / pembongkaran tabung kaca vakum. 4. Aluminium Fin, merupakan plat yang berfungsi untuk menangkap panas yang terjadi di dalam tabung kaca. Dengan menangkap panas melalui konveksi udara di dalam tabung kaca ke permukaan aluminium fin, maka panas dalam ruang tabung kaca akan lebih efektif dikonduksikan ke heat pipe.

Gambar 14. Komponen Utama ETSC [20]

5. Header Pipe, merupakan pipa utama untuk mengalirkan fluida yang diinginkan untuk dipanaskan. Fluida yang dialirkan di dalam Header Pipe akan melewati ujung gas reservoir dari Heat Pipe, sehingga panas yang telah terkonsentrasi di Heat Pipe diserap oleh fluida di dalam Header Pipe. Dengan demikian proses kondensasi fluida kerja di dalam Heat Pipe akan terus terjadi selama fluida di dalam Header Pipe masih lebih dingin. 6. Insulation Layer, merupakan bagian insulasi yang berfungsi untuk mencegah panas yang didapatkan di dalam Header Pipe terbuang ke lingkungan. Material yang biasa dipakai adalah rock wool. 7. Aluminium Manifold, merupakan bagian terluar yang menyelubungi Header Pipe. Berfungsi untuk menjaga supaya Insulation Layer tetap terjaga dari kondisi lingkungan yang berubah-ubah.

Gambar 15. Aluminium Manifold [20]

Hal. 24 dari 29


Keunggulan ETSC ETSC memberikan efisiensi thermal yang jauh lebih tinggi serta durabilitas dalam pengoperasiannya. Dengan design yang ada, maka aliran udara tetap dapat melalui permukaan atap yang ditempati oleh ETSC sehingga atap bangunan tersebut tetap bertemperatur rendah dan tidak ada endapan air. Untuk perbaikan jika terjadi kerusakan pada solar collector, ETSC dapat diperbaiki per satu tabung kaca sehingga biaya perbaikan menjadi lebih murah. [22]

Gambar 16. Evacuated Tube Solar Collector yang ada di pasaran [21]

ETSC akan mengumpulkan energi lebih dari 2,500 Btu/jam per meter persegi per harinya, sebanding energi yang dikumpulkan oleh mat pool solar heater seluas 90 m2 per hari. [22]

Gambar 17. Mat pool solar heater [22].

Hal. 25 dari 29


Efisiensi ETSC Hasil penelitian yang dilakukan oleh Teknikum Rapperswill of Switzerland (Test Report No. 264, August 1997) menunjukkan bahwa efisiensi yang dihasilkan oleh ETSC dapat dimodelkan dengan pendekatan rumus berikut: [23] 2.02(𝑇𝑚 − 𝑇𝑎) 𝑇𝑚 − 𝑇𝑎 2 ] 𝜂 = 0.84 − − 0.0046 [ 𝐺 𝐺 Sementara hasil penelitian yang dilakukan oleh Florida Solar Energy Center of USA (FSEC Solar Collector Test Report No. 97005, May 1998) menunjukkan hasil yang konsisten dengan percobaan oleh Teknikum Rapperswill, yakni: [23] Linear: 𝜂 = 0.82 −

2.19(𝑇𝑚 − 𝑇𝑎) 𝐺

Second Order: 𝜂 = 0.81 −

1.23(𝑇𝑚 − 𝑇𝑎) 𝑇𝑚 − 𝑇𝑎 2 ] − 0.0122𝐺 [ 𝐺 𝐺

Di mana: 𝑇𝑜𝑢𝑡𝑙𝑒𝑡 +𝑇𝑖𝑛𝑙𝑒𝑡

Tm

= Temperatur rata-rata dari collector;

Ta

= Temperatur ambient dari udara; [ºC]

G

= Iradiasi matahari

2

[ºC]

Hasil penelitian dari kedua lembaga tersebut jika diilustrasikan di dalam bentuk kurva efisiensi, maka hasilnya adalah seperti pada Gambar 18.

Gambar 18. Kurva Efisiensi hasil percobaan ETSC [23]

Hal. 26 dari 29


V.

KESIMPULAN

Dengan pembahasan yang dipaparkan di dalam paper ini, maka kesimpulan yang didapatkan adalah: 1. Kaca memiliki tingkat refleksivitas yang rendah sekitar 4% terhadap gelombang cahaya tampak, dan sudut pantul kritisnya yang cukup besar di sekitar 60º. Serta memiliki tingkat absorptivitas yang rendah, sekitar 6%. 2. Kaca memiliki tingkat transmisivitas yang tinggi yakni sekitar 90% pada rentang panjang gelombang sekitar 0.3µm - 2.7µm, dan bersifat opaque (transmisivitas nol) di luar rentang panjang gelombang tersebut. 3. Kaca memiliki kekuatan struktur dan ketahanan yang cukup baik terhadap regangan (tensile). 4. Cahaya matahari memberikan spektrum energi dari panjang gelombang nol sampai dengan tak terhingga, dengan energi maksimalnya berada di sekitar 0.5µm. 5. Semakin rendah temperatur suatu benda, energi yang diemisikan benda tersebut akan memiliki panjang gelombang yang semakin panjang. Sebagai pembandingnya, berdasarakan Gambar 5, benda dengan temperatur 100ºC (373K) akan mengemisikan energi pada rentang panjang gelombang di atas sekitar 1.5µm dengan puncak emisi energi di panjang gelombang sekitar 7µm. 6. Pemanfaatan energi matahari akan memberikan efisiensi yang lebih baik jika dapat memaksimalkan karakter dari kaca. Rumah kaca memberikan efisiensi yang lebih baik dibandingkan dengan pemanfaatan radiasi secara langsung, dan ETSC memberikan efisiensi yang lebih baik lagi karena dapat memaksimalkan penghilangan gejala konveksi. 7. ETSC tidak hanya memberikan efisiensi yang tinggi tetapi juga menyediakan kemudahan dalam perawatan dan perbaikannya. Karena jika terjadi kerusakan pada collector, dapat diperbaiki per tabung collector saja tidak perlu secara keseluruhan.

Hal. 27 dari 29


VI. [1]

REFERENSI

B. H. W. S. de Jong, "Glass"; in "Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry"; 5th edition, vol. A12, VCH Publishers, Weinheim, Germany, 1989, ISBN 978-3-527-20112-9, pp. 365– 432

[2]

http://glasstalks.com/2011/03/16/physicalproperties/

[3]

Kreith, Frank, and friends, “Principles of Heat Transfer”; 7th ddition, Global Engineering Publisher, Stamford, U.S.A., 2003, ISBN-13: 978-0-495-66770-4

[4]

Dresselhaus, M. S. (1999). "Solid State Physics Part II Optical Properties of Solids" (PDF). Course 6.732 Solid State Physics. MIT. Retrieved 2015-01-05.

[5]

Hecht, Eugene, “Optics”; 4th edition, Addison Wesley Publisher, San Fransisco, U.S.A., 2002, ISBN 0-321-18878-0

[6]

Leynhard, John H., “A Heat Transfer Book”; 3rd Edition, Phlogiston Press Publisher, Massachusetts, U.S.A., 2006, pp. 579.

[7]

http://www.rayotek.com/techincal_info_glass_sapphire.htm

[8]

Moran, Michael J., and friends, “Introduction to Thermal Systems Engineering: Thermodynamics, Fluid Mechanics, and Heat Transfer”; U.S.A., 2003, ISBN 0-47120490-0, pp. 475.

[9]

http://www.omega.com/docs/106497062/table-of-Total-Emissivity

[10]

"Chapter 8 – Measurement of sunshine duration". CIMO Guide. World Meteorological Organization. Retrieved 2008-12-01.

[11]

http://solarsystem.nasa.gov/planets/profile.cfm?Display=Facts&Object=Sun

[12]

http://www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/news/highest-energi.html

[13]

"The Multispektral Sun, from the National Earth Science Teachers Association". Windows2universe.org. 2007-04-18. Retrieved 2012-02-12.

[14]

http://science-edu.larc.nasa.gov/EDDOCS/Wavelengths_for_Colors.html

[15]

http://lils-earthsheatbudget.blogspot.com/2009/02/earths-heat-budget.html

[16]

http://www.indiana.edu/~geol105b/1425chap7.htm

[17]

http://www.sltenergy.com/heat-pipe-manifold/

[18]

http://www.1-act.com/vchps-for-passively-controlling-temperature/

[19]

http://www.shuttle.eu/_archive/old/en/www.shuttle.eu/index-3002.html

[20]

http://www.solarpanelsplus.com/evacuated-tube-collectors/

[21]

http://www.solarpanelsplus.com/products/evacuated-tube-collectors/

[22]

http://www.obelink.nl/images/detailed/61/Interline_Solar_Pool_Heating_b.jpg Hal. 28 dari 29


[23]

Mahjouri, Dr. F., “Vacuum Tube Liquid-Vapor (Heat-Pipe) Collectors”, Columbia.

Hal. 29 dari 29

TUGAS TAMBAHAN MS5042 ENERGI SURYA TERMAL

Recommend Documents